Energy Efficiency Assessment of the Use of Expander-Generator Set in Cogeneration Systems / Estimarea eficienței energetice a utilizării agregatelor expander-generator în sistemele de cogenerare / Оценка энергетической эффективности применения детандер-генераторных агрегатов в системах с комбинированным производством тепла и электри-ческой энергии

Abstract

The purpose of the article is to assess energy efficiency of the expander generator application in cogeneration systems. It demonstrates that the research works devoted to this subject do not take into account the effect that gas parameters after the expander have on operating efficiency of the main power generating equipment that leads to a distortion of the assessment of expander energy efficiency. The energy efficiency is determined by specific fuel savings resulting from the use of a circuit with an expander compared to the option of gas throttling. It shows that spe-cific fuel saving is directly proportional to the increment value of the total specific useful work of the utility company when using expander generators. It was found that when using the ex-pander at the cogeneration plant the total specific useful work increment is less than the specific work of the expander generator. It is shown that the energy effect magnitude from the use of circuits with an expander at cogeneration boilers depends on the ambient air temperature. For an expander at cogeneration boiler houses with gas piston internal combustion engines at air tem-peratures below the optimum mixture temperature, the total increment of the specific work is equal to the specific work of the expander, at higher temperatures, the increment of the total specific work can be several times greater than the specific work of the expander. The prospects of preheating gas before the expander at the considered utility companies were analyzed.

Scopul acestui articol este de a evalua efectul energetic urmare a utilizării agregatelor expandar-generator în sistemele cu cogenerare a energiei, luând în considerare efectul răcirii gazelor la ieșirea din expander. Efectul energetic este determinat de economiile specifice de combustibil datorate utilizării unui expander în comparație cu opțiunea de limitare a presiunii gazului (gas throttling) cu programare a produceri energiei termice și energiei electrice. Economia de combustibil este direct proporțională cu creșterea sumară a indicatorului specific de producere a energiei la utilizarea agregatelor expander-generator. S-a constatat, că valoarea indicatorului specific total al lucrului util al ciclului turbinei cu abur este mai mică în comparare cu varianta utilizării agregatului expander-generator din cauza efectului negativ de răcire a gazelor la micșorarea presiunii lor. La utilizează expanderului la alimentarea centralelor cu cogenerare cu motoare de gaze cu piston la temperata aerului sub valoarea optimă a amestecului pentru acest tip de motor, creșterea totală a lucrului util este determinată numai de funcționarea expanderului. La temperaturi mai ridicate ale aerului, creșterea lucrului specific util total depășește de ori lucrul expanderului, datorită efectului pozitiv de scădere a temperaturii amestecului de combustibil asupra eficienței motoarelor cu combustie internă. O eficiență relativă mai mare se obține prin utilizarea unităților de generare a expandoarelor în centralele termice cu cogenerare, comparativ cu centralele termoelectrice. Există perspective de aplicare a gazului preîncălzit în amont-ul expanderului pentru sporirea eficienței surselor de generare. Rezultatele obținute indică la posibilitatea evaluării utilizării unităților de expandar-generator la diferite centrale electrice după criteriul sporirii eficienței energetice.

Целью данной статьи является оценка энергетического эффекта от применения детандер-генераторных агрегатов в системах с комбинированным производством тепла и электрической энергии. Показано, что посвященные этой теме исследования не учитывают влияния параметров газа на выходе из детандера на эффективность работы основного энергопроизводящего оборудования или рассматривают схемы с при-менением детандера и подогрева, что в обоих случаях ведет к искажению оценки энергетического эф-фекта от применения детандера. Энергетический эффект определяется удельной экономией топлива от применения схемы с детандером по сравнению с вариантом с дросселированием газа при неизменных графиках выработки тепла и электрической энергии. Показано, что удельная экономия топлива прямо пропорциональна величине приращения суммарной удельной полезной работы энергетического пред-приятия при применении детандер-генераторных агрегатов. При анализе эффективности применения детандера на теплоэлектроцентрали выявлено, что из-за неблагоприятного влияния охлаждения газа в детандере на эффективность работы паротурбинного цикла приращение суммарной удельной полезной работы меньше удельной работы детандер-генераторного агрегата. При использовании детандера на когенерационных котельных с газопоршневыми двигателями внутреннего сгорания при температурах воздуха ниже оптимальной температуры смеси для данного типа двигателей суммарное приращение работы определяется только работой детандера. При более высоких температурах воздуха приращение суммарной удельной работы может в несколько раз превысить работу детандера за счет положительно-го влияния снижения температуры топливной смеси на эффективность работы двигателей внутреннего сгорания. Выявлено, что большую относительную эффективность дает применения детандер-генераторных агрегатов на когенерационных котельных по сравнению с теплоэлектроцентралями и проанализированы перспективы применения подогрева газа перед детандером на рассматриваемых энергетических предприятиях. Сделан вывод о возможности использования оценки энергетического эф-фекта от применения детандер-генераторных агрегатов на различных энергетических предприятиях по величине приращения суммарной удельной полезной работы.